Appunti completi del corso "Principi di Ingegneria elettrica"

Il rifasamento dei carichi industriali

La corrente I in modulo è minore rispetto alla corrente I, quindi abbiamo ridotto la corrente circolante in linea, quindi abbiamo ridotto le perdite e la caduta di tensione, mantenendo costante la potenza attiva. Ecco perché si rifasano i carichi industriali.

La potenza reattiva Q che arriva al carico, è la differenza tra la potenza reattiva che arriva dai generatori, e la potenza reattiva generata dal condensatore. Il rifasamento viene fatto in maniera parziale per tre ragioni:

1. Spesso gli utilizzatori lavorano a potenza variabile, quindi se è necessario ridurre la potenza, si avrebbe che la potenza reattiva generata dal condensatore prevarrebbe sulla potenza reattiva in linea. Questa condizione è fonte di "sovratensione", perché in pratica si sta immettendo potenza reattiva nella rete. Per questo avere un sistema condensatore-carico che produce potenza reattiva è vietato dal "codice di rete".
2. Se il contatore di rete

registra una condizione del genere, scollega i morsetti e stacca il carico. Un modo per risolvere il problema sarebbe avere un condensatore variabile anche lui, ma questo non è possibile. Quindi lasciare un margine al rifasamento permette di restare nella finestra di rifasamento anche per potenze diverse. - Solitamente i sistemi di rifasamento sono centralizzati a livello di quadro elettrico, quindi avere un margine di rifasamento permette di non avere problemi nel caso tutti i carichi sono accesi contemporaneamente (lavatrice, forno, lavastoviglie, ecc.). L'unico svantaggio è che nel tratto finale (abitazione) la rete non è rifasata, ma tanto i tratti di rete non sono molto lunghi. - Quando si genera potenza con degli alternatori, essi sono più stabili se si produce anche un po' di potenza reattiva. Essere più stabile per una rete vuol dire avere un minor rischio di blackout quando si richiede una variazione di potenza attiva. Quindi a chi producepotenza reattiva è necessaria e quindi calcolare la potenza da iniettare nel sistema. Codice di rete: Un carico il cui fattore di potenza è compreso tra 0,9 e 1, non ha bisogno di rifasamento. - Se il cosφ è >= a 0,9, non è necessario rifasare. - Se il cosφ è < 0,9, è necessario rifasare. - In caso di necessità di rifasamento, si deve pagare una penale perché il produttore deve produrre più energia per soddisfare il carico. - Se il cosφ è < 0,9, il contatore disconnette il carico a causa di una caduta di tensione molto elevata. Esempio: (valori rifasati) Caduta di tensione: potenza assorbita dal carico (effetto utile) Rendimento: Solo rifasando il carico: - La caduta di tensione si è ridotta di 1/4. - Le perdite si sono ridotte di 1/3. Potenza da iniettare nel sistema (spesa): Per rifasare il carico dobbiamo trovare quanto

Deve valere la capacità del condensatore affinché il carico rifasato abbia un valore di potenza uguale a φrif.

Potenza reattiva assorbita dal carico: (sezione A)

Il dato del problema (cosφrif) è il fattore di potenza alla sezione B:

Potenza reattiva di linea: perché tra la sezione A e la sezione B non c'è nulla che assorbe potenza attiva (sezione B)

Potenza reattiva che deve generare il condensatore: (generale)

Sistemi Trifase

Sistema elettrico in cui i dispositivi sono collegati tra loro con una terna di conduttori.

Tripolo I sistemi trifase sono i più diffusi, per esempio tutti i sistemi di distribuzione dell'energia elettrica sono di tipo trifase.

Vantaggi principali dei sistemi trifase rispetto ai sistemi monofase:

• A parità di potenza trasmessa (potenza assorbita dai carichi, attiva e reattiva) e a parità di perdite in linea, per costruire un sistema trifase è necessario meno materiale rispetto ad un sistema monofase.

Quindi è più economico.Il materiale necessario per costruire i tre cavi del trifase è minore rispetto a quello per costruire i due cavi del monofase, questo perché la sezione dei cavi del trifase è più piccola della sezione richiesta per i cavi del monofase.- A parità di prestazioni (potenza, numero di giri, ecc.), è necessario meno materiale attivo nelle macchine elettriche.Il trasformatore trifase è più leggero del trasformatore monofase, perché si riescono a sfruttare meglio i materiali attivi (rame, ferro).- Il sistema trifase è il sistema ideale per alimentare delle macchine elettriche che hanno una coppia diversa da zero a velocità nulla, dette "macchine ad avvio spontaneo", ovvero basta alimentare la macchina (chiudere l'interruttore di macchina) per avviare la macchina elettrica. Una macchina trifase ha una "coppia di spunto", cosa che una macchina monofase non ha.- La

La potenza trasmessa dei sistemi trifase simmetrici equilibrati è costante pur essendo operati in regime alternato sinusoidale. Quindi la potenza assorbita da un tripolo è costante, pur avendo alla sua porta tre correnti e tre tensioni alternate sinusoidali.

La potenza meccanica, la potenza elettrica, la coppia del motore monofase, la velocità di rotazione, il volano e il momento di inerzia sono tutti fattori importanti da considerare.

Il motore genera una coppia in funzione del tempo che ha un'oscillazione alla stessa frequenza della potenza elettrica. Siccome per il primo principio della termodinamica la potenza elettrica è uguale alla potenza meccanica istante per istante, le oscillazioni della potenza elettrica si riflettono alla porta meccanica, quindi si sta sollecitando l'albero meccanico con una coppia variabile nel tempo, e questo si traduce in vibrazioni.

Se poi la frequenza è la stessa della frequenza propria di risonanza del sistema meccanico, il sistema inizia a risuonare. La coppia rimane costante nel motore trifase.

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trifase non provoca vibrazioni.

Terna delle correnti di fase: È una terna "pura":

Terna delle tensioni di fase: NON è una terna "univoca", ovvero non esiste un'unica terna di tensioni di fase che rappresenta il tripolo, va varia a seconda del punto di riferimento.

centro di riferimento per i potenziali

Le due terne non sono uguali, in particolare la differenza tra le due è data proprio dalla differenza di potenziale tra i due punti di riferimento.

Ora vogliamo trovare una terna che sia univoca per tutti i tripoli: Terna delle tensioni concatenate o tensioni di linea (line to line) È una terna pura: tensione della fase 3 rispetto alla fase 1 Tensioni concatenate vuol dire tensioni misurate in modo ordinato, ovvero dove arriva la punta di una, parte la coda di un'altra. Da una terna di tensioni di fase, si possono calcolare le tensioni concatenate: è univoca

Verifichiamo che sia una terna univoca, quindi proviamo a calcolarla anche.

secondo un altro punto di riferimento. Quindi le tensioni concatenate sono sempre definite come differenza tra le tensioni di fase, qualunque sia il centro di riferimento che si utilizza per le tensioni di fase. Centro Concreto: è un punto del sistema elettrico accessibile per la misura delle tensioni di fase. Un centro si dice concreto se è un punto fisico che si può utilizzare per la misura delle tre tensioni fase. Non esiste sempre. Centro Teorico: Un centro si dice teorico se le tensioni di fase misurate in quel punto rappresentano una terna pura. Esiste sempre. Teorema di Aron: In regime stazionario, la potenza istantanea assorbita dal tripolowattmetro. Ovviamente si potevano anche usare V12 e V23, così come V12 e V31. La lettura dei due wattmetri presi a se stante, quindi al di fuori di questo teorema, NON ha nessun significato fisico. La lettura di un wattmetro NON rappresenta in alcun modo un flusso di energia nel sistema trifase. Potevamo arrivare agli stessi risultati utilizzando altre combinazioni di tensioni di fase.risultati anche con considerazioni di tipo fisico, prendendo per esempio il centro di riferimento coincidente con la fase 3. Questo perché un tripolo ha tre centri concreti, ovvero le tre fasi. Sono centri degeneri, perché per esempio se si prende come punto di riferimento la fase 3, la tensione di fase 3 sarà sempre 0, la tensione di fase 2 sarà uguale alla tensione concatenata V23, e la tensione di fase 1 sarà uguale alla tensione concatenata V31. In regime sinusoidale: - potenza apparente complessa trifase (il significato fisico è lo stesso che avevamo in monofase: è il valore medio della potenza) - potenza attiva trifase istantanea scambiata alla porta del tripolo, è il valore medio del flusso energetico (serve per dimensionare il dispositivo trifase, ma NON è più il valore massimo di oscillazione) - potenza reattiva trifase (ma è presente anche quando la potenza istantanea è nulla) - potenza apparente trifasePotenza istantanea Cerchiamo un modo comodo per riscrivere le correnti e le tensioni di fase: (vettore rotante) è una cosinusoide. Questa è esattamente la scrittura che abbiamo usato per tensioni e correnti in regime alternato sinusoidale monofase, quindi possiamo usare la scrittura iniziale. La loro somma è un numero reale, che è equivalente a questa, per svolgere i calcoli. Il diagramma circolare della potenza è una rappresentazione grafica della potenza istantanea, che dipende dal tempo. La potenza istantanea è la proiezione sull'asse reale istante per istante. In trifase, la potenza istantanea: - oscilla con pulsazione 2ω - ha un valore medio diverso da 0 - e non inverte mai il suo segno. Nel caso monofase, il diagramma circolare della potenza verrebbe così: La differenza col caso monofase è che l'ampiezza è diversa. È facile osservare che i moduli dei due termini sono uguali, per questo motivo il diagramma passa sempre per il centro. Quindi la componente oscillante.se) ma in trifase rappresenta la differenza di fase tra le tensioni e le correnti nelle terne.